超小型质子治疗同步回旋加速器的关键物理与核心技术研究

The high magnetic field superconducting synchrocyclotrons are considered as the key parts of the proton therapy systems of the next generation. Compared to the current available proton therapy systems, the superconducting synchrocyclotron based new generation systems are ultra compact, thus are with much lower construction costs and are more suitable to be installed in hospitals. Enlightened by above advantages, these new proton therapy systems could lower treatment costs and consequently benefit more patients. A plenty of top academic institutes or industrial companies have initiated or prepare to start R&D projects to design superconducting synchrocyclotron based proton therapy systems. In this proposal, we intend to perform key technologies R&D of a 230 MeV ultra compact proton therapy superconducting synchrocyclotron, which include the ultra high field beam dynamics study, key technologies research in superconducting main magnet design especially the fringe field and tune calculations, technical issues on central region design, modification of the ultra high magnetic field to optimize the time evolution of the beam circulation frequency, the unbalanced force compensation of superconducting coil and the multistage quech protection for this high power superconducting magnet. Based on all of abovementioned physical problems and key technology R&D, the physical design of the 230 MeV superconducting synchrocyclotron, will be produced as well.

超导同步回旋加速器作为具有超小型结构、造价更低廉、更适用于医院环境使用的新一代质子治疗系统的核心部件，相对于现有的质子治疗系统，可以降低癌症的质子治疗费用、惠及大众健康，有巨大的经济效益与社会效益，因此日益得到各国先进加速器研究机构及高端医疗设备研发企业的重视。本申请拟开展用于质子治疗的能量为230MeV超小型超导同步回旋加速器的关键物理问题及核心技术研究，主要包括超强磁场束流动力学研究、超小尺寸中心区关键技术、超导磁铁边缘场及聚焦力研究、高平均磁场分布与高频系统变频特性匹配研究、超导磁体系统的非平衡受力及其补偿措施研究、大储能失超保护系统的研究。最终，形成230MeV质子治疗同步回旋加速器的物理方案。

超导同步回旋加速器作为具有超小型结构、造价更低廉、更适用于医院环境使用的新一代质子治疗系统的核心部件，相对于现有的质子治疗系统，可以降低癌症的质子治疗费用、惠及大众健康，有巨大的经济效益与社会效益，因此日益得到各国先进加速器研究机构及高端医疗设备研发企业的重视，此外在航空航天器机载电子设备空间辐射的地面模拟方面也有重要应用。本申请在国内首次系统性开展了用于质子治疗的能量为230MeV超小型超导同步回旋加速器的关键物理问题及核心技术研究，主要包括超强磁场束流动力学研究、超小尺寸中心区关键技术、超导磁铁边缘场及聚焦力研究、高平均磁场分布与高频系统变频特性匹配研究、超导磁体系统的非平衡受力及其补偿措施研究、大储能失超保护系统的研究，形成了230MeV质子治疗同步回旋加速器的物理方案，包括内部离子源、高频系统、失超探测与保护、超导线圈系统的非平衡力的调节与补偿都进行了相关实验验证，设计方案可用于工程设计。